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Verfahren zum Brennen und Kühlen von körnigem Gut im Schachtofen und Ofen zur Ausübung des Verfahrens Bei den bisher bekannten Schachtöfen für stark endotherme Prozesse wie Schmelzöfen, Öfen zur Entsäuerung von Karbonaten, zum Brennen von Cha- motte usw., wird deren thermischer Wirkungsgrad durch hohe Abgasverluste beträchtlich herabgesetzt. Dies umsomehr, je höher der Luftüberschuss ist, mit dem gefahren werden muss. Besonders erheblich ist die Herabsetzung des thermischen Wirkungsgrades bei Verfeuerung von staubförmigen, flüssigen und gasförmigen Brennstoffen.
Die Ursache dieser Erscheinung liegt darin, dass die Abgase, welche die Reaktionszone, in welcher der eigentliche Brennpro- zess bei sehr hohen Temperaturen stattfindet, verlassen, derart grosse Wärmemengen mit sich führen, dass das in der Vorwärmezone befindliche Material nicht ausreicht, sie aufzunehmen, weil nur die Temperaturdifferenz bis zur Reaktionstemperatur zur Verfügung steht.
Wenn das zu brennende Gut ausserdem noch wärmeempfindlich ist (wie z. B. das in Kalk- oder Dolomitbrennöfen gebrannte Gut), können die erforderlichen niedrigen Temperaturen nur bei hohem Luftüberschuss oder durch Beigabe grosser Menge inerter Gase (z. B. von Ofenabgas) eingehalten werden. Damit werden aber die Gasmengen, welche Wärme von der Reaktionszone in die Vorwärmezone transportieren, noch wesentlich vergrössert und der thermische Wirkungsgrad des Brennprozesses wird weiter verschlechtert, was auch eine Steigerung der Abgastemperatur nach sich zieht.
Um die erwähnten Nachteile zu vermeiden, wird bereits ein Verfahren angewendet, bei welchem heis- ses Abgas zwischen Reaktions- und Vorwärmezone abgezogen und an geeigneter Stelle wieder in die Reaktionszone, gegebenenfalls mit Kaltluft vermischt, eingeführt wird.
Bei diesem Verfahren kann zwar ein grosser Teil der sonst durch die Abgasumwälzung entstehenden Verluste vermieden werden, doch treten in der Umgehungsleitung Strahlungsverluste auf; ferner werden die erforderlichen Gebläse sehr hoch beansprucht, die auch störungsanfällig sind. Schliess- lich können jene Abgasverluste nicht vermieden werden, welche durch den bei Gas-Öl- oder Kohlenstaubfeuerung notwendigen Luftüberschuss auftreten.
Das ebenfalls bereits bekannte Prinzip, temperaturempfindliche Güter im Gleichstrom zu brennen, wurde auch schon für Schachtöfen vorgeschlagen und zwar derart, dass zwischen Kühl-, Reaktions- und Vorwärmezone Schleusenzonen eingeschaltet werden, wobei die Luft, bzw. das Abgas mit Umgehungsleitungen so geführt wird, dass Kühl- und Vorwärmezone im Gegenstrom, die Reaktionszone hingegen im Gleichstrom betrieben wird.
Diesem Vorschlag blieb aber bisher die praktische Verwirklichung versagt, weil sich der Ausbildung der Schleusenzonen, die im Bereich normalerweise hoher Reaktionstemperaturen arbeiten müsste, erhebliche Schwierigkeiten entgegenstellten.
Durch die Längen der Schleusenzonen und Umgehungsleitungen sind auch Strahlungsver- luste zu erwarten. Darüber hinaus bietet dieses System keine Möglichkeit, die durch den für eine einwandfreie Verbrennung immer erforderlichen Luftüberschuss ,hervorgerufenen Verluste an Abgaswärme zu verhindern.
Endlich wurden auch Öfen gebaut, bei denen der Brennstoff nicht in einer, sondern. in mehreren Brennebenen eingeführt wurde. Wesentliches Ziel dieser Betriebsweise war wiederum die Vermeidung schädlicher Temperaturen, wobei aber Abgasverluste nicht zu verhindern waren. Ausserdem leiden solche Öfen, die z.
B. mit Generatorgas betrieben werden, an dauernder Verstopfung der oberen Brenner, so
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dass sie praktisch meist nur mit in einer Ebene angeordneten Brennern betrieben werden und neben hohem Wärmeverbrauch einen ungleichmässig gebrannten Kalk liefern.
Rekuperatoren und Wärmeaustauschem blieb wegen des schlechten Wirkungsgrades oder der hohen Kosten bisher der praktische Einsatz versagt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Brennen und Kühlen von körnigem Gut im Schachtofen, wobei die Heizgase während des Brandes periodisch wechselnd die Brennzone im Gleich- und Gegenstrom durchziehen und die oberhalb und unterhalb der Brennzone abwärts wandernden Schichten des Gutes einer thermischen Vor- oder Nachbehandlung durch einen Wärmeträger unterzogen werden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die oberhalb oder die unterhalb der Brennzone befindliche Schicht oder beide Schichten periodisch wechselnd von Abgasen in der einen und von einem anderen Wärmeträger in der anderen vertikalen Richtung durchströmt werden.
Hiedurch kann jede gewünschte Menge an überschüssiger Luft, bzw. kaltem inertem Gas (Abgas) zugesetzt werden, ohne dass Verluste entstehen. Es ist dann nur mehr Aufgabe der richtigen Ofeneinstellung, die Wärmemengen, welche während beider Betriebsperioden durch den Ofen befördert werden, so abzustimmen, dass sowohl kaltes Brenngut abgezogen werden kann, als auch nur kalte Abgase den Schachtofen verlassen.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann in verschiedenen Varianten zur Ausführung gelangen, die nunmehr in Verbindung mit hiefür geeigneten Öfen anhand der Zeichnung erläutert werden sollen.
Fig. 1 zeigt einen Einfachschachtofen ; Fig. 2 einen doppelten Schachtofen mit Verbindung der beiden Ofenschächte in der Ebene zwischen Reaktions- und Kühlzone; Fig. 3 einen doppelten Schachtofen mit Verbindung der beiden Ofenschächte in einer Ebene zwischen Reaktions- und Vorwärmezone. Schliesslich stellt Fig. 4 einen doppelten Schachtofen dar, dessen Schächte in einer Ebene innerhalb der Reaktionszone verbunden sind.
Das in den in Fig. 1 dargestellten Schachtofen 1 eingesetzte Brenngut wird in drei Zonen einer Behandlung unterworfen. In der Zone V wird es vorgewärmt, in der Zone B gebrannt und in der Zone K gekühlt, so dass es kalt aus dem Schacht gezogen werden kann. Während einer ersten Betriebsperiode wird Verbrennungsluft mit entsprechendem Über- schuss oder Zusatz an inertem Gas bei a eingeführt und erwärmt sich beim Durchgang durch die Kühlzone K so weit, als es der Wärmeinhalt des in dieser Zone befindlichen Gutes ermöglicht. In der Brennzone B verbrennt der Brennstoff, welcher entweder in fester Form schon mit dem Brenngut aufgegeben wurde (Mischfeuerofen),
oder der in einer Ebene bei d, bzw. zwischen den Punkten d und c in staubförmiger, flüssiger oder gasförmiger Form zugeführt wird. Nach Beendigung der Verbrennung etwa an der Stelle c, geben die nach oben strömenden Abgase ihre Wärme an das zu brennende frische Gut der Vorwärmezone V ab und verlassen an der Stelle b den Ofen.
Dies ist jene Periode, in der das Brennen des Gutes im Gegenstrom erfolgt, wobei die Verbrennungsluft oder ein Gemisch aus Luft und iner- tem Gas das an der Stelle b eingeführte Gut entgegen dessen Bewegungsrichtung durchsetzt. Sobald das den Ofen verlassende Abgas eine bestimmte Temperatur erreicht hat, z.
B. 100 C, wird die Zufuhr von Luft oder inertem Gas derart umgeschaltet, dass diese Gase den Ofen nunmehr in gleicher Rich- tung wie das eingesetzte Gut durchsetzen. Demnach treten diese Gase an der Stelle b in den Ofenschacht und erwärmen sich in der Vorwärmezone V, verbrennen den bei c eingeführten Brennstoff, der gegebenenfalls auch in mehreren Brennebenen zwischen den Stellen c und d aufgegeben werden kann.
Sodann verlassen die Abgase unter Wärmeabgabe an das in der Kühlzone K befindliche Gut den Schacht in abgekühltem Zustand mit einer Temperatur von etwa 50 bis 800 C. Der Produktionsprozess braucht zum Abziehen und Beschütten des Ofens nicht unterbrochen zu werden, da beim Wechseln der Brennart das eine Mal die Ofengicht, das andere Mal der Ofenfuss drucklos ist, je nachdem, ob mit Saugzug oder Unterwind gefahren wird. Einfache Verschlüsse genügen.
Beim Misehfeuerofen kann bei der Betriebsperiode im Gleichstrom inertes Gas zur Wärmerückführung verwendet werden, um das Verbrennen des Brennstoffes ausserhalb der Reaktionszone zu vermeiden.
In Fig. 2 ist ein doppelter Schachtofen 2 dargestellt, der aus den Schächten 3 und 4 besteht, die durch eine Leitung 5 verbunden sind. Wie ersichtlich, ist diese Verbindungsleitung 5 in einer zwischen der Brennzone B und der Kühlzone K gelegenen Ebene dl, dl' angeordnet.
Die Verbrennungsluft, erforderlichenfalls mit Abgas gemischt, kann während der ersten Periode bei den Einlässen dl und a1 oder ai oder auch bei b1, a1 und ai eingeblasen werden. Dabei wird bei den Einlässen a1 und a1' nur soweit Luft (Sekundärluft) dem Schacht zugegeben, als zur Kühlung des Materials in der Kühlzone K erforderlich ist.
Hingegen kann durch dQn Einlass b1 jede beliebige Menge Luft (Primärluft) zugeführt werden, ohne dass die Gefahr einer Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrades besteht. In dieser Betriebsperiode wird der Brennstoff dem Schacht 3 in der Ebene cl, cl' zugeführt und verbrennt in jenem Ausmass, als Verbrennungsluft bei b1 eingeblasen wird.
Das entstandene Abgas, eventuell noch vorhandene Brenngase, ferner die bei a1 eingetretene Kühlluft treten durch die Verbindung 5 in den Schacht 4 und strömen dort, allenfalls mit der bei ai eingeführten Kühlluft vereinigt, im Gegenstrom nach oben. In der Brennzone B verbrennt dann der noch vom Schacht
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3 herrührende Restbrennstoff, oder bei dl' zugeführ- ter Brennstoff.
Die gesamten Abgase geben ihre Wärme zum grössten Teil in der Vorwärmezone V des Sehachtes 4 an das frisch aufgegebene Brenngut ab und verlassen durch die Öffnung b1' kalt den Ofen. Man hat es in der Hand, durch richtige Dosierung der zugesetzten Verbrennungsluft an den einzelnen Stellen b1, a1 und a1', wieviel Gas im Gleichstrom im Schacht 3 und wieviel im Gegenstrom im Schacht 4 verbrennt. Wenn temperaturempfindliches Gut gebrannt wird, empfiehlt es sich, den Hauptteil an Brennstoff im Gleichstrom zu verbrennen, weil dabei keine Schädigung des noch unbehandelten Gutes eintreten kann. Auch werden beim Brennen im Gleichstrom sehr gute Wärmeübergangszahlen erreicht, da mit reduzierender, leuchtender Flamme gefahren wird.
Russteilchen, die sich am Brenngut absetzen, werden spätestens im oberen Teil der Kühlzone K mit der vorgewärmten Sekundärluft verbrannt, so dass das Brenngut vollkommen sauber den Ofen verlässt. Beim Brennen im Schacht 4 im Gegenstrom, wobei das Gut Schaden erleiden könnte, ist bereits so armes Gas und ein so grosser Luftüber- schuss vorhanden, dass eine Schädigung hier nicht mehr eintreten kann. Der Brennofen kann vorteilhaft auch nur mit einem Gebläse betrieben werden, wobei die Gesamtwindmenge eingestellt wird und mittels Umschaltklappen diese in kurzen aber einstellbaren Perioden auf die Einlassöffnungen für Primär- und Sekundärluft verteilt wird.
Nach einer bestimmten Zeit (ca. 5-30 Minuten) werden die Ofenschächte in ihrer Brennart (Gleich- und Gegenstrom) umgestellt, so dass nunmehr die Primärluft durch die Öffnung b1' und die Sekundärluft bei a1 oder a1' , bzw. bei beiden, eingeblasen wird und die Abgase bei b1 den Ofen verlassen.
Dieser zweite Brennvorgang ist dabei als solcher genau der gleiche wie der erste und es ist ersichtlich, dass die Luft bzw. inertes Gas oder auch ein Gemisch das Brenngut in der Vorwärmezone einmal im Gleichstrom und einmal im Gegen- Strom durchsetzt. Das wechselweise Fahren bietet dabei den Vorteil, dass Temperaturspitzen, die in gewissen Ofenpartien sich bilden können, in der darauffolgenden Betriebsperiode wieder abgebaut werden, da nicht anzunehmen ist, dass während beider Perioden an ein und derselben Stelle eine gleich wirksame Verbrennung stattfindet.
Ein bereits praktisch erprobter Zwillingsofen der vorstehend beschriebenen Art zum Brennen von Kalk arbeitet in folgender Weise: Der Zwillingsofen hat an der Gicht eine Umschaltglocke, die alle zehn Minuten umgesetzt wird. Der Kalkstein gelangt bei b1' in den Schacht 4, während bereits erkaltetes Abgas entgegengesetzt abströmt und nach oben entweicht. Währenddessen strömt Primärluft von einem Rootsgebläse durch die Gicht in den Schacht 3, in dem sich bereits während der vorangegangenen Periode durch die Abgase erhitzter Kalkstein befindet. Die Primärluft erhitzt sich an diesem heissen Material und trifft an der Stelle cl mit dem zugeführten gasförmigen Brennstoff zusammen.
Das Gemisch brennt nun den Kalkstein in der Brennzone und tritt über die Leitung 5 in den Schacht 4 über. Vorher hat sich das Gemisch, bzw. das bereits entstandene Abgas mit Sekundärluft vermischt, die von unten ebenfalls vom Gebläse kommend bei a1 in den Schacht 3 einströmt. Die Sekundärluft kühlt dabei das gebrannte Gut ab. Die Abgase erhitzen im Schacht 4 das in diesem eingesetzte frische Brenngut, so dass es eine Temperatur von 900 C annimmt. Die vom Gebläse ausgehende Luft wird in Intervallen von 10 Sekunden in einen Sekundär- und Primärluftstrom durch eine mechanisch betätigte Klappe aufgeteilt. Die Luft wird also den Schächten von oben und unten diskontinuierlich zugeführt.
Eine zweite Klappe dient zur Umschaltung der Sekundärluft auf den Schacht 4 beim Wechsel der Betriebsperiode nach je 10 Minuten, wobei auch die Umschaltglocke an der Gicht umgesetzt wird.
Betriebsbeispiel: Je Charge (im Wechsel von 10 Minuten) wird einem der beiden Schächte 1150 kg Kalkstein (CaCO3) zugeführt. Währenddessen strömen 415m3 Primärluft und 440m3 Sekundärluft in den anderen Schacht. In diesem werden an der Stelle Cl 58,5m3 Erdgas mit 9000 kcal/ms zugeführt, von dem in diesem Schacht etwa 3/4 verbrennen. Der Rest verbrennt erst im Schacht 4.
Der eingesetzte Kalkstein erwärmt sich auf 9000 C in der Zone V und in der Brennzone B auf 11500 C. Je Charge (1l50 kg) entstehen 632 kg Kalk (Ca0) und 518 kg C02. Je kg CaO werden nur 830 kcal oder 0,092 m3 Erdgas benötigt, ein äus- serst niedriger Wert, der das praktische Ergebnis der Erfindung unter Beweis stellt. Der gebrannte Kalk kühlt sich in der Zone K auf 50 C ab, indem er seine Wärme an die Sekundärluft abgibt.
Die Abgase verlassen den Ofen mit einer Temperatur von 500 C.
In Fig. 3 ist ein doppelter Schachtofen 6 dargestellt, dessen Schächte 7,8 mit einer Verbindung 9 in der Ebene zwischen Reaktionszone und Vorwärmezone ausgestattet sind. Die Betriehsweise dieses Ofens ist die folgende Die Verbrennungsluft, wenn nötig mit inertem Gas gemischt,
wird bei a2 in den Ofenschacht einge- blasen und wärmt sich bis zur Stelle d2 auf Reak- tionstemperatur an dem zu kühlenden Brenngut vor. An der Stelle d2 wird so viel Brennstoff aufgegeben, dass jene Temperatur nicht überschritten wird, welche das Brenngut schädigen könnte (Verbrennung mit grossem Luftüberschuss bzw. inerten Gasmengen).
Die Verbrennung geschieht also im Bereich zwischen d2 und c2 im Gegenstrom. Von der Stelle c2 strömt so viel des entstandenen heissen Abgas- Luftgemisches zur Öffnung b2, als zur Vorwärmung des frisch eingesetzten Brenngutes erforderlich ist,
so dass dieser Teil des Abgases den Ofenschacht durch die Öffnung b2 in kaltem Zustand verlässt. Der überwiegende Teil des erforderlichen Brennstoffes wird jedoch in der Öffnung 9 zwischen beiden Schächten
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7, 8 in der Ebene c2-c2' aufgegeben und verbrennt beim Abwärtsstreichen durch den Schacht 8 zwischen den Stellen c2 und d,'. Zwischen d2' und a2 geben die nunmehr entstandenen Abgase ihre Wärme an das gekühlte Gut ab, welches einen Wärmespeicher bildet, um beim darauffolgenden gegengleichen Vorgang die durch die Öffnung a2' aufgegebene frische Verbrennungsluft vorzuwärmen.
Es wird also auch bei diesem Ofen abwechselnd die Frischluft im Gegenstrom und im Gleichstrom durch das Brenngut geführt, wobei immer dann auf die andere Betriebsperiode umgeschaltet wird, wenn die Abgase an den Stellen a2 bzw. a2 eine zu hohe Temperatur anzunehmen im Begriffe sind. Dabei kann das gebrannte Gut am Fuss des Ofens kalt abgezogen werden.
Schliesslich ist in Fig. 4 ein doppelter Schachtofen 10 dargestellt, dessen Schächte 11, 12 eine Verbindung 13 etwa in der Mitte der beiden Brenn- zonen aufweisen.
Dieser Ofen eignet sich besonders zum Brennen mit sehr minderwertigem, gasförmigen Brennstoff, z. B. Gichtgas. Bei diesem Brennstoff kann eine gute Wärmewirtschaft nämlich nur dann erzielt werden, wenn sowohl das Gas als auch die notwendige Luft vorgewärmt werden. Dies kann auch bei dem Ofen 2 gemäss Fig. 2 erfolgen, indem z. B. oben (bei b1 bzw. b1') Luft und unten (bei a1 oder a1') Gichtgas eingeblasen wird. Geringe Mengen an Gichtgas können noch in kaltem Zustand bei cl' zugesetzt werden, ohne den Ofenwirkungsgrad herabzusetzen. Der Nachteil dieser Betriebsart ist es jedoch, dass die Hauptwürmemenge beim Brennen im Gegenstrom anfällt.
Um das Garbrennen jedoch im Gleichstrom zu ermöglichen, wurde der Ofen 10 gemäss Fig. 4 entwickelt. Bei diesem wird vorteilhaft Dichtgas bei b2 und Luft bei a3 eingeblasen, was auch umgekehrt erfolgen kann. Die beiden Komponenten mischen sich in der Verbindungsöffnung 13 und verbrennen, teilweise im Schacht 12 nach aufwärts strömend, bis zur Ebene c3', teilweise nach unten strömend bis zur Ebene d3'. Sie verlassen durch die Öffnungen a3' und b3' als kaltes Abgas den Ofen, wobei sie vorher ihre Wärme an das zwischen d3' und a3' bzw. c3' und b3' befindliche Brenngut abgeben.
Um die Leistung des Ofens zu erhöhen, kann bei d3 bzw. c3 oder bei beiden, zur Luft Lichtgas oder umgekehrt, in geringen Mengen im kalten Zustand eingeblasen werden, ohne den Wirkungsgrad des Ofens zu verschlechtern. Damit bei a3 und b3 das Abgas in gewünschten Mengen ausströmt, werden entweder Blenden angeordnet, oder besser, die gesamte Abgasmenge wird mittels einstellbarer Klappen einmal bei b3 und einmal bei a3 in kleinen Zeitintervallen ausströmen gelassen.
Dieser Wechsel kann benützt werden, um ohne doppelte Schleusen das Begichten und Austragen des Ofengutes bei atmosphärischem Druck an dieser Stelle des Ofenschachtes durchführen zu können.